Kriket embriyolarının gizemli dansı
Haziran ayında 100 meyve sineği bilim insanı iki yılda bir düzenlenen bir toplantı için Yunanistan’ın Girit adasında bir araya geldi. Bunlar arasında Harvard Üniversitesi’nde Kanadalı bir genetikçi olan Cassandra Extavour da vardı. Laboratuvarı, evrim ve gelişmeyi incelemek için meyve sinekleriyle çalışıyor – “evo devo”. Çoğu zaman, bu tür bilim adamları, fizyoloji ve tıp alanında en az birkaç Nobel Ödülü’nde böceklerle işbirliği yapan kanatlı beygir türü Drosophila melanogaster’ı “model organizma” olarak seçerler.
Ama Dr. Extavour, model organizmalar olarak alternatif türlerin yetiştirilmesiyle de bilinir. Cırcır böceklerine, özellikle iki benekli tarla cırcır böceğine, özellikle Gryllus bimaculatus’a düşkündür, ancak henüz meyve sineğinin yanında hiçbir şeyden hoşlanmamaktadır. (Girit’teki toplantıya katılmak için yaklaşık 250 baş araştırmacı başvurmuştur.)
Otel odasından bir video görüşmesi sırasında böceği çekerken “Bu çılgınca” dedi. “Bu kriket türü üzerinde çalışan tüm laboratuvar başkanlarıyla bir toplantı yapmaya çalışsaydık, beşimiz veya 10 kişi olabilirdik.”
Kriketler, sirkadiyen saatler, uzuvların yenilenmesi, öğrenme, hafıza ile ilgili araştırmalarda zaten yer almıştır; hastalık modelleri ve ilaç fabrikaları olarak hizmet ettiler. Gerçek bilgeler, cırcır böcekleri! Ayrıca yiyecek, çikolata olsun veya olmasın giderek daha tanınmış hale geliyorlar. Evrimsel bir bakış açısından, cırcır böcekleri, son ortak böcek atasını öğrenmek için daha fazla fırsat sunar; meyve sineklerinden daha çok diğer böceklerle ortak noktaları vardır. (Özellikle böcekler, hayvan türlerinin yüzde 85’inden fazlasını oluşturur).
Dr. Extavour’un araştırması temelleri hedefliyor: Embriyolar nasıl çalışır? Ve bu, ilk hayvanın nasıl ortaya çıktığı hakkında neyi gösterebilir? Her hayvan embriyosu benzer bir yolculuk yapar: Tek bir hücre çoğalır, ardından yumurtanın yüzeyinde bir katman oluşturarak tüm yetişkin vücut parçaları için erken bir plan oluşturur. Ama embriyonik hücreler -aynı genoma sahip ama hepsi bu bilgiyle aynı şeyi yapmayan hücreler- nereye gideceklerini ve ne yapacaklarını nasıl biliyorlar?
“Bu benim için bir gizem,” dedi Dr. Ekstraksiyon. “Hep gitmek istediğim yer orası.”
Chicago Üniversitesi’nde biyolog ve veri bilimcisi ve Dr. Extavour’un laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan Seth Donoughe, embriyolojiyi, gelişmekte olan bir hayvanın “doğru parçaları, doğru yerde, doğru zamanda” nasıl yaptığının bilimi olarak tanımladı. Bir kriket embriyosunun mucizevi bir videosunu içeren bazı yeni araştırmalarda – belirli “sağ bölümlerin” (hücre çekirdeği) üç boyutlu hareket gösterdiği – Dr. Ekspres, Dr. Donoughe ve meslektaşları, eski moda geometrinin önemli bir rol oynadığını buldu.
İnsanlar, kurbağalar ve kapsamlı bir şekilde incelenen diğer birçok hayvan, tek bir hücre olarak başlar ve hemen tek tek hücrelere bölünür. Cırcır böcekleri ve diğer böceklerin çoğunda, başlangıçta yalnızca hücre çekirdeği bölünür, paylaşılan sitoplazmadan geçen ve ancak daha sonra kendi hücre zarlarını oluşturan çoklu çekirdekler oluşturur.
2019’da Duke Üniversitesi’nde nicel bir gelişim biyoloğu olan Stefano Di Talia, meyve sineklerindeki çekirdeklerin hareketini inceledi ve bunların sitoplazmada titreşen akımlarda hareket ettiğini gösterdi – biraz yavaş hareketin girdaplarında hareket eden yapraklar gibi. -hareketli akış.
Ancak kriket embriyosunda başka bir mekanizma iş başındaydı. Araştırmacılar, çekirdeklerin mikroskobik salınımını izlemek ve analiz etmek için saatler harcadılar: parlayan yumrular bölünür ve hareket eder, tamamen sıralı değil, tamamen rastgele değil, farklı yönlerde ve hızlarda, daha uzak çekirdeklerden daha senkronize olarak. Oyun, salt fizik veya kimyanın ötesinde bir koreografiye meydan okuyordu.
“Çekirdeklerin üstlendiği geometriler, yakındaki diğer çekirdeklerin yoğunluğunu algılama ve bunlara tepki verme yeteneklerinin bir sonucudur” dedi. Ekstraksiyon. Dr. Di Talia yeni çalışmaveyahil olmadı, ancak hareketli buldu. “Bu, büyük biyolojik öneme sahip güzel bir sistemin harika bir çalışması” dedi.
Çekirdeklerin yolculuğu
Kriket araştırmacıları başlangıçta klasik bir yaklaşım benimsediler: Yakından bakın ve dikkat edin. “Sadece izledik,” dedi Dr. Ekstraksiyon.
Bir lazer ışıklı tabaka mikroskobu kullanarak videolar yaptılar: Anlık görüntüler, sitoplazmada yaklaşık 500 çekirdeğin kümelendiği ilk sekiz saatlik embriyo gelişiminin ilk sekiz saati boyunca her 90 saniyede bir salınan çekirdekleri yakaladı. (Yaklaşık iki hafta sonra cırcır böcekleri yumurtadan çıkar.)
Tipik olarak biyolojik materyal şeffaftır ve en keskin mikroskopla bile görülmesi zordur. Ama Taro Nakamura, sonra Dr. Extavour’un laboratuvarında hekima sonrası, şu anda Japonya, Okazaki’deki Ulusal Temel Biyoloji Enstitüsü’nde gelişim biyoloğu olan bir hekim, floresan yeşili parlayan özel bir nükleer cırcır böceği türü geliştirdi. Dr. Nakamura’nın anlattığı gibi, embriyonun gelişimini kaydederken sonuçlar “şaşırtıcı”ydı.
Keşif süreci için bir “atlama noktası”ydı, Dr. dedi Donough. Bazen bilim kurgu yazarı ve biyokimya profesörü Ishaq Asimov’a atfedilen sözleri tekrarladı: “Çoğu zaman ‘Eureka!’ kelimesini duyarsınız. sen söyleme! Bir şey keşfettiğinizde, ‘Hah. Bu garip.'”
İlk olarak, biyologlar bir konferans odası ekranına yansıtılan videoları izlediler – embriyoların (uzun taneli) bir pirinç tanesinin yaklaşık üçte biri büyüklüğünde olduğu göz önüne alındığında, IMAX’ın kriket eşdeğeri. Kalıpları tespit etmeye çalıştılar, ancak veri kümeleri bunaltıcıydı. Daha niceliksel zekaya ihtiyaçları vardı.
Dr. Donoughe, şimdi Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde uygulamalı matematikçi olan Christopher Rycroft ile temasa geçti ve ona dans eden çekirdekleri gösterdi. ‘Sürpriz! Vay!’ Dr. dedi Rycroft. Daha önce hiç böyle bir şey görmemişti, ancak veriye dayalı işbirliğinin potansiyelini fark etti; o ve o zaman Dr. Rycroft’un laboratuvarında hekima öğrencisi olan Jordan Hoffmann çalışmaya katıldı.
Sayısız gösteri sırasında, matematik-biyo ekibi birçok soruyu düşündü: Kaç tane çekirdek vardı? Ne zaman bölünmeye başladılar? Hangi yönlere gidiyorlardı? Nerede kaldılar? Neden bazıları yürüdü ve diğerleri süründü?
Dr. Rycroft genellikle yaşam ve fizik bilimlerinin kesiştiği noktada çalışır. (Geçen yıl, kağıdın küçülmesinin fiziği üzerine bir makale yayınladı.) “Matematik ve fizik, yaygın olarak uygulanan genel kuralları türetmekte çok başarılı oldu ve bu yaklaşım biyolojide yardımcı olabilir” dedi; Dr. Extavour da aynı şeyi söyledi.
Ekip, genellikle beyaz tahta üzerinde beyin fırtınası yaptı ve sık sık resimler çizdi. Sorun dr. Rycroft’a bir Voronoi diyagramını, uzayı örtüşmeyen alt bölgelere ayıran geometrik bir yapıyı hatırlattı – çokgenler veya her biri bir tohum noktasından çıkan Voronoi hücreleri. Galaksi kümeleri, kablosuz ağlar ve orman gölgelik büyüme modelleri gibi çeşitli şeyler için geçerli olan çok yönlü bir kavramdır. (Ağaç gövdeleri tohum noktalarıdır ve taçlar Voronoi hücreleridir, birbirine yakın hareket eder ancak dokunmaz, taç utangaçlığı olarak bilinen bir fenomen.)
Kriket bağlamında, araştırmacılar her bir çekirdeği çevreleyen Voronoi hücresini hesapladılar ve hücrenin şeklinin, çekirdeğin daha sonraki hareket yönünü tahmin etmeye yardımcı olduğunu gözlemlediler. Temel olarak, Dr Donoughe şunları söyledi: “Çekirdekler yakındaki açık alana taşınma eğilimindedir.”
Geometrinin hücresel mekanik hakkında soyut bir düşünme yolu sunduğunu belirtti. “Hücre biyolojisi tarihinin çoğunda, mekanik kuvvetleri doğrudan ölçemedik veya gözlemleyemedik” dedi, ancak “motorlar, sıçramalar ve itmeler” oyundaydı. Ancak araştırmacılar, bu hücresel dinamiklerin yarattığı daha yüksek seviyeli geometrik desenleri gözlemleyebildiler. Dr Donoughe, “Hücrelerin aralığını, hücrelerin boyutlarını, hücrelerin şekillerini düşünürsek, bunların mekanik kısıtlamalar tarafından çok ince bir ölçekte yönlendirildiğini biliyoruz.” Dedi.
Bu tür geometrik bilgileri kriket videolarından çıkarmak için Dr. Donough ve Dr. Hoffmann, çekirdeğin yerini, hızını ve yönünü ölçerek adım adım izledi.
Şu anda Londra’daki DeepMind’de uygulamalı matematikçi olan Dr. Hoffmann, “Bu önemsiz bir süreç değil ve birçok bilgisayar görüşü ve makine öğrenimi biçimini içeriyor.” Dedi.
Ayrıca programın sonuçlarını manuel olarak kontrol ettiler, 100.000 pozisyondan geçtiler ve uzay ve zamanda çekirdek nesillerini birleştirdiler. Dr. Hoffmann bunu yorucu buldu; Dr. Donoughe bunu bir video oyunu oynamak olarak düşündü, “tek bir embriyonun içindeki küçücük evrende yüksek hızda zum yaparak, her bir çekirdeğin yolculuğunun ipliklerini birbirine dikerek.”
Daha sonra, çekirdeğin hareketini ve yerini açıklayabilecek hipotezleri test eden ve karşılaştıran bir hesaplama modeli geliştirdiler. Genel olarak, onlar Dr. Di Talia’nın meyve sineğinde gördüğü sitoplazmik akıntıları elediler. Rastgele hareketi ve çekirdeklerin fiziksel olarak birbirini ittiği fikrini çürüttüler.
Bunun yerine, meyve sineği ve yuvarlak solucan embriyolarında bilinen başka bir mekanizma üzerine inşa ederek makul bir açıklama yaptılar: sitoplazmadaki orman gölgesinin aksine, her bir çekirdekten mikrotübül kümelerini uzatan minyatür moleküler motorlar.
Ekip, benzer türde bir moleküler kuvvetin kriket çekirdeklerini uzaya çektiğini öne sürdü. “Moleküller mikrotübüller olabilir, ancak kesin olarak bilmiyoruz” dedi Dr. E-posta ile ekstavasyon. “Bunu bulmak için gelecekte daha fazla deney yapmamız gerekecek.”
Çeşitliliğin geometrisi
Bu kriket macerası Dr. Donoughe’un çeşitli hipotezleri test etmek için yaptığı özel yapım “embriyo küçültme cihazından” bahsetmeden tamamlanmış sayılmaz. Eski okul tekniğini kopyaladı, ancak yumurta boyutlarının ve şekillerinin evrimi ile Dr. Extavour ve diğerleri ile yapılan önceki çalışmalardan ortaya çıkmıştır.
Bu çelişki Dr. Donoughe’un bir cırcır böceği yumurtasının etrafına bir insan saçı sarmak gibi zor bir görevi yerine getirmesini sağladı – böylece biri orijinal çekirdeği ve diğeri kısmen sıkıştırılmış bir uzantıyı içeren iki bölge yarattı.
Araştırmacılar daha sonra nükleer koreografiyi revize ettiler. Orijinal bölgede, çekirdekler yoğun bir yoğunluğa ulaştıktan sonra yavaşladı. Ancak birkaç çekirdek daralan tünelden gizlice girdiğinde, meradaki atlar gibi gevşek bir şekilde tekrar hızlandılar.
Bu, çekirdeklerin hareketinin geometri tarafından kontrol edildiğinin en güçlü kanıtıydı, Dr. Donoughe, “Küresel kimyasal sinyaller, akışlar veya tüm embriyonun davranışını makul bir şekilde ilişkilendirebilecek diğer tüm varsayımlar tarafından yönlendirilmiyor” dedi.
Çalışmanın sonunda ekip, 10 sabit diskte 40 terabayttan fazla veri topladı ve kriketin araç setine katkıda bulunan hesaplamalı, geometrik bir model geliştirdi.
“Laboratuvarda çalışmak için kriket embriyolarını daha çok yönlü hale getirmek istiyoruz” dedi Dr. Extavour – yani biyolojinin daha fazla yönünü incelemek için daha yararlıdır.
Dr Extavour, modelin rastgele bir yumurta boyutunu ve şeklini simüle edebileceğini ve onu “diğer böcek embriyoları için test alanı” olarak faydalı hale getirebileceğini söyledi. Bunun, farklı türleri karşılaştırmamıza ve evrimsel tarihlerini daha derinlemesine incelememize izin vereceğini kaydetti.
Ancak tüm araştırmacıların hemfikir olduğu araştırmanın en büyük ödülü, işbirliği ruhuydu.
“Uzmanlık bilgisi için bir yer ve zaman var” dedi Dr. Ekstraksiyon. “Bilimsel keşiflerde olduğu gibi, kendimizi hiçbir sonuca yatırım yapmayan insanlara göstermeliyiz.”
Matematikçiler tarafından sorulan soruların “önyargısız” olduğunu söyleyen Dr. Ekstraksiyon. “Bunlar en ilginç sorular.”